張萬(wàn)通, 李超群, 于 露, 邵新慶
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193)
青藏高原作為我國(guó)重要的生態(tài)屏障之一,擁有豐富的高寒草地資源,形成了特有的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)[1]。獨(dú)有的嚴(yán)酷自然地理環(huán)境造就了生態(tài)系統(tǒng)的極端脆弱性,在區(qū)域性和持久性的自然因素和人為因素的干擾下,極易造成草地退化甚至荒漠化,導(dǎo)致高寒草甸生態(tài)環(huán)境日益惡化[2]。施肥作為退化草地改良和維持天然草地可持續(xù)利用的有效手段[3-4],能增加土壤中營(yíng)養(yǎng)元素含量,提供植物生長(zhǎng)的必需養(yǎng)分,對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)群落多樣性、土壤養(yǎng)分、草地生產(chǎn)力等多方面均能產(chǎn)生影響[5]。
傳統(tǒng)意義的施肥雖對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到關(guān)鍵作用,但近年來(lái)施用化肥的負(fù)面效應(yīng)逐漸顯現(xiàn),如施肥結(jié)構(gòu)不合理、重視氮磷肥卻忽視了鉀肥的使用;過(guò)分注重底肥,施過(guò)底肥后不再追肥等均導(dǎo)致了水土失衡、土壤板結(jié)等現(xiàn)象[6]。同樣在草地施肥中也存在一些問(wèn)題,如肥料利用率低,無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥不能合理配施,忽視菌肥的使用等,均會(huì)造成肥料浪費(fèi)和土壤營(yíng)養(yǎng)單一化等問(wèn)題[7]。
PGPR作為土壤中天然存在的具有生物防治活性的一類細(xì)菌,能夠間接或直接促進(jìn)作物生長(zhǎng),主要分布在植物根際(根際土壤、根表面、根內(nèi)部)[8]。它們定殖在植物根系內(nèi)與植物形成共生關(guān)系,驅(qū)動(dòng)著土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程,不僅可以合成能夠影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)(如生長(zhǎng)素等植物激素),活化并增加土壤中有效元素的含量(如氮、磷、鉀)[9]促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收,亦能減輕或抑制植物病害的發(fā)生來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)[10-11]。研究表明PGPR具有提高宿主植物養(yǎng)分利用率的功能,如生物固氮和有機(jī)磷化合物的礦化等[12]。常見(jiàn)的根際促生菌有假單孢菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、農(nóng)桿菌屬(Agrobacterium)、埃文氏菌屬(Eriwinia)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、巴斯德氏菌屬(Pasteuria)、沙雷氏菌屬(Serratia)、腸桿菌屬(Enterobacter)等[13]。PGPR菌肥(或生物菌肥)的研究多集中在對(duì)藍(lán)莓(Vacciniumspp.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)等經(jīng)濟(jì)作物以及羊草(Leymuschinensis)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)等牧草的影響[14-17],然而對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)(群落)的相關(guān)研究較少。
目前研究表明PGPR生物菌肥配施部分化肥,可在數(shù)量和性能上與化肥很好地相互補(bǔ)充,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中減少無(wú)機(jī)化肥的過(guò)度使用,以此達(dá)到綠色生產(chǎn)、保障食品安全的目的[18]。因此,為了減少青藏高原高寒草甸化肥的使用,以及降低化肥對(duì)青藏高原高寒草甸的污染程度,本試驗(yàn)擬施用不同劑量的化肥和PGPR菌肥,開(kāi)展地上植被和土壤理化性質(zhì)的研究,以期了解PGPR菌肥替代部分化肥的可能性,為高寒氣候條件下肥料的合理使用提供科學(xué)依據(jù)。
不同禾本科植物根際篩選獲得的供試PGPR復(fù)合菌肥,其主要成分為高效溶磷菌(Bacillussp.)、聯(lián)合固氮菌株(Azospirillussp.)、分泌植物激素菌(Azospirillussp.)和生防菌株(Bacillussp.)(專利號(hào)ZL 2010 10557699.3),由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。有機(jī)肥來(lái)自于試驗(yàn)園區(qū),主要成分為腐熟羊糞(有機(jī)質(zhì)32.39%,氮約為1.63%,磷(P2O5)1.54%,鉀(K2O)0.085%);磷肥主要成分為過(guò)磷酸鈣(14% P2O5),來(lái)源于云南省昆明市??诤陮毩追蕪S;氮肥主要為尿素(N 46%),由青海云天化國(guó)際化肥有限公司提供;氮磷肥則為磷酸氫二銨(N 18%,P2O546%),由湖北大峪口化工有限責(zé)任公司提供。
試驗(yàn)地位于青海省海北州海晏縣高原現(xiàn)代生態(tài)畜牧試驗(yàn)示范園牧草種植試驗(yàn)區(qū)(100°23'~101°20'E,36°44'~37°39'N)。屬高原亞干旱氣候,年平均氣溫1.5℃左右,年日照時(shí)數(shù)大約在2 980 h,年降水量大約400 mm,無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。主要植被類型有高寒草甸、高寒草原、高寒流石坡稀疏植被。選取植被類型相對(duì)一致的兩塊樣地,分別施用化肥和PGPR菌肥。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行圍欄處理,化肥、有機(jī)肥和菌肥試驗(yàn)均采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)設(shè)計(jì)如下:每個(gè)小區(qū)面積為10 m×6 m,各小區(qū)間隔1 m,區(qū)間不施肥[19]。于2014年7月和2015年6月2次將肥料施在試驗(yàn)小區(qū),其中PGPR菌肥施用是用一定量的土和菌肥混合均勻,開(kāi)溝條施于行間,深度3~5 cm,且施后立即覆土。2塊樣地施肥后不采取任何人工措施,讓其自然生長(zhǎng),每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)中各處理肥料施用量詳見(jiàn)表1。
表1 化肥施用量
1.3.1植物群落調(diào)查 在2015年8月12日調(diào)查群落結(jié)構(gòu)及物種組成,此時(shí)植物群落生物量達(dá)到高峰期,便于區(qū)分鑒別植物物種。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取一個(gè)50 cm×50 cm的樣方,以調(diào)查樣方內(nèi)的植物群落特征,即物種的數(shù)量、密度、總蓋度、植物高度等。Margalef豐富度指數(shù)(Ma)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H')衡量地上植物群落的多樣性,Pielou均勻度指數(shù)(J)來(lái)表示植物群落的均一性。植被調(diào)查結(jié)束后,齊地面刈割樣方內(nèi)所有的植物,裝在紙信封后帶回實(shí)驗(yàn)室于65℃的烘箱中烘至恒重,稱重計(jì)算地上生物量。
1.3.2土壤理化性質(zhì) 在每個(gè)小區(qū)用直徑5 cm×5 cm土鉆隨機(jī)取地表0~20 cm的土壤,按之字形進(jìn)行5次重復(fù)取樣,將其混勻后作為該小區(qū)的一個(gè)樣品,過(guò)2 mm篩挑出植物殘?bào)w和碎石塊。然后將每份樣品分為2份:一份自然風(fēng)干,用來(lái)分析土壤理化性質(zhì);另一份放在裝有冰塊的保溫箱內(nèi),盡快帶回實(shí)驗(yàn)室,采用烘干稱重法測(cè)定土壤含水量;用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀分別測(cè)定土壤pH和電導(dǎo)率EC。土壤全氮、全磷、有機(jī)碳分別用凱式定氮法、鉬銻抗比色法測(cè)定、濃硫酸-重鉻酸鉀稀釋熱法測(cè)定,土壤無(wú)機(jī)氮測(cè)定采用流動(dòng)分析儀分析[20]。
物種多樣性選用Shannon-wiener多樣性指數(shù)(H')、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef豐富度指數(shù)(Ma)等進(jìn)行測(cè)量。
(1)
Pielou均勻度指數(shù):J=H'/lnS
(2)
Margalef豐富度指數(shù):Ma=(S-1)/lnN
(3)
式中:Pi為物種i在群落中的重要值,即(相對(duì)密度+相對(duì)高度+相對(duì)生物量)/3;S為物種數(shù);N為樣方中總物種個(gè)體數(shù)。
用Microsoft Excel2010整理、計(jì)算數(shù)據(jù)并用origin作圖,對(duì)不同施肥處理下地上生物量、Shannon-wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Margalef物種豐富度指數(shù)、土壤水分、土壤pH值、土壤電導(dǎo)率、土壤全氮、土壤全磷、土壤有機(jī)碳、土壤銨態(tài)氮、土壤硝態(tài)氮含量進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA),使用LSD法進(jìn)行多重比較,顯著性水平為P<0.05。以上所有數(shù)據(jù)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2.1.1不同施肥處理對(duì)地上生物量的影響 NP處理較CK處理顯著增加地上生物量,增幅為72.19%(圖1)。N處理、O處理、J1+N處理和J1處理分別使地上生物量平均增加28.9%,4.05%,20.54%,6.69%,但無(wú)顯著性差異。P處理、J1+P處理、J3處理與CK 267.49 g·m-2相比,分別使地上生物量下降至254.25 g·m-2,238.42 g·m-2,260.71 g·m-2,且差異不顯著。
圖1 不同施肥處理下地上生物量情況
2.1.2不同施肥處理對(duì)物種多樣性的影響 CK處理的物種豐富度為17.0,其它施肥處理與CK相比均降低了物種豐富度,NP處理下降至13.20,降幅約為22.35%,差異顯著(P<0.05);J1+N處理和J2處理效果相同,均使物種豐富度下降至15,但處理間差異不顯著。不同施肥處理均導(dǎo)致Shannon-wiener多樣性指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),NP處理和J1+N處理分別下降至2.33和2.38,僅O處理下降最少為2.4。Pielou均勻度指數(shù)在不同施肥處理下都不顯著。其中NP,J1與CK處理相比分別增加了0.03和0.01,達(dá)到0.91和0.89,而P處理和J3處理下降至0.86和0.87(表2)。
表2 不同施肥處理下物種多樣性變化
2.2.1不同施肥處理對(duì)土壤水分、電導(dǎo)率的影響 與CK相比(圖2A),J1和J3處理的土壤水分顯著降低,分別為30.74%和22.62%(P<0.05)。J1+N和J2增加了土壤水分,增幅分別為4.92%和0.86%。各施肥處理之間土壤電導(dǎo)率總體無(wú)顯著差異(圖2B),與CK相比N處理顯著增加了電導(dǎo)率(P<0.05),達(dá)到304.16 μs·cm-3。
圖2 不同施肥處理下土壤水分和電導(dǎo)率變化
2.2.2不同施肥處理對(duì)土壤pH的影響 各施肥處理對(duì)土壤pH值影響不同,均呈現(xiàn)堿性(圖3)。與CK相比,處理N和NP顯著降低(P<0.05),O處理、J1處理、J3處理增加了土壤pH值,各處理間無(wú)顯著差異。
圖3 不同施肥處理下土壤pH情況
2.3.1不同施肥處理對(duì)土壤全氮、全磷的影響 與CK(含量1.58 g·kg-1)相比,除N處理和P處理外,其他處理中全氮含量都有所上升,其中J1+N全氮含量增加最多,達(dá)到2.77 g·kg-1,差異顯著(P<0.05)。菌肥施用的J1,J2,J3處理下全氮含量分別為2.64 g·kg-1,2.65 g·kg-1,2.44 g·kg-1(圖4A)。全磷測(cè)定顯示,CK全磷含量為0.61 g·kg-1,與其它處理相比只有NP處理顯著提高了土壤全磷含量(P<0.05),達(dá)到0.68 g·kg-1。P處理、O處理和J1處理提高了全磷含量,N處理、J1+N處理、J1+P處理、J2處理和J3處理使全磷含量下降,處于0.56~0.60 g·kg-1(圖4B)。
2.3.2不同施肥處理對(duì)土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的影響 各施肥處理和CK相比,均增加了土壤銨態(tài)氮的含量(圖5),其中N處理、NP處理、O處理與CK相比差異顯著(P<0.05),含量分別為11.11 mg·kg-1,8.19 mg·kg-1,8.86 mg·kg-1,而各菌肥施加處理之間差異不顯著。與CK的硝態(tài)氮含量19.34 mg·kg-1相比,只有N處理顯著增加,達(dá)到51.58 mg·kg-1(P<0.05)。P處理和O處理對(duì)土壤硝態(tài)氮含量起到增加的作用,增幅分別約為7.17%和24.03%,但NP處理、J1+N處理、J1+P處理、J1處理和J2處理降低了土壤硝態(tài)氮含量,分別是14.08 mg·kg-1,17.76 mg·kg-1,15.39 mg·kg-1,17.37 mg·kg-1和16.71 mg·kg-1,但各處理間無(wú)顯著差異。
圖5 不同施肥處理下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮變化
2.3.3不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳的影響 與CK(有機(jī)碳含量37.39 g·kg-1)相比(圖6),只有J3處理增加了土壤有機(jī)碳的含量,達(dá)到50.69 g·kg-1,且與N處理和NP處理相比,J3增加了土壤有機(jī)碳含量,但不顯著。J2處理含量最低,為29.70 g·kg-1,各處理之間差異不顯著。
圖6 不同施肥處理下土壤有機(jī)碳情況
在草地生態(tài)系統(tǒng)中,施肥通常會(huì)導(dǎo)致生物量增加和生物多樣性下降[21]。Kirchner等[22]研究發(fā)現(xiàn),施肥顯著提高草地群落生產(chǎn)力,但物種多樣性有所下降;張春花[23]研究發(fā)現(xiàn)施肥顯著降低物種豐富度的同時(shí)增加了群落生物量。本研究結(jié)果中N處理、J1+N處理都增加了地上植被生產(chǎn)力,以NP處理效果最為顯著(P<0.05)。這是由于氮磷肥可快速有效地增加質(zhì)地貧瘠土壤的速效養(yǎng)分,改良土壤營(yíng)養(yǎng)狀況,為植物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)也促進(jìn)植被對(duì)水的利用效率,從而顯著提高草地生產(chǎn)力[24]。但當(dāng)菌肥配施氮肥(J1+N)使用時(shí),與CK相比其地上生物量雖無(wú)顯著差異,但有一定的增加趨勢(shì),J1+N具有一定的促生作用,但效果不及氮磷復(fù)合肥,這可能與不同肥料和施用量的作用以及不同植物類群對(duì)施肥的響應(yīng)差異有關(guān)[25],也可能是施肥年限過(guò)短造成地上生物量響應(yīng)不顯著。本研究中施用全量菌肥(J2,J3)后,地上生物量和CK相比呈下降趨勢(shì),這說(shuō)明在目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平下,全量菌肥未必起到明顯效果,但微生物肥料與化肥合理配施對(duì)高寒草地生物量增加有較好效果[26],同時(shí)說(shuō)明微生物肥料只能部分替代化學(xué)肥料。因群落植物物種豐富度和多樣性指數(shù)的變化除與植被本身特性有關(guān)外,草原土壤基質(zhì)的改良程度、種間(內(nèi))競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定程度的影響[27],施肥提高了土壤養(yǎng)分的可利用性,使得植物之間的競(jìng)爭(zhēng)由地下轉(zhuǎn)為地上部分,這也解釋了本結(jié)果中PGPR菌肥配施化肥的試驗(yàn)處理(J1+N,J1+P)下與無(wú)機(jī)化肥處理(N,NP)其變化趨勢(shì)相似,即物種豐富度下降,但J1+N比無(wú)機(jī)肥下降幅度小,這一結(jié)果與Ren[28]、張杰琦等人[29]研究相近,說(shuō)明因施加微生物肥料的種類不同,草地優(yōu)勢(shì)種生長(zhǎng)能力顯著提高,占據(jù)群落中的主導(dǎo)地位,在這一過(guò)程中其他不同種植物的地位也產(chǎn)生相應(yīng)變化,群落結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化,物種多樣性有所減少[16]。陳奇樂(lè)[30]對(duì)河北壩上典型退化草地施用無(wú)機(jī)肥料發(fā)現(xiàn)植被Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielo均勻度指數(shù)隨施肥量的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì),本研究與其發(fā)現(xiàn)較為一致,但均勻度指數(shù)變化沒(méi)有規(guī)律??赡苁桥c施肥試驗(yàn)的時(shí)間太短有關(guān),由施肥引起的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致群落中物種遷移過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間,施肥年限較短不足以發(fā)生物種水平上的演替,但是競(jìng)爭(zhēng)會(huì)引起各物種的個(gè)體數(shù)量或密度發(fā)生變化[31]。
土壤水分不僅影響土壤的物理性質(zhì),也制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng),是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素。本研究發(fā)現(xiàn)施用不同類型的肥料對(duì)土壤水分有一定的影響,但差異不顯著。與不施肥相比,J1+N和J2處理增加了土壤水分,這與徐暢在馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)施加微生物肥料后,根際土壤含水量增加結(jié)果相似[15],而J1和J3處理則使得土壤水分顯著下降,這說(shuō)明PGPR菌肥施用的濃度不同使土壤微生物數(shù)量增加,加劇微生物消耗土壤含水量的速率,造成土壤水分大幅度下降[32]。
土壤pH值和電導(dǎo)率作為影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育主要因素之一,能夠綜合評(píng)估土壤營(yíng)養(yǎng)離子情況[33]。陳奇樂(lè)[30]通過(guò)對(duì)壩上草地短期施肥發(fā)現(xiàn),施加氮肥有利于降低土壤pH值,本研究結(jié)果與之一致。其原因在于施肥過(guò)程中過(guò)量的氮素增強(qiáng)了植物根系對(duì)于土壤中陽(yáng)離子的吸收能力,使H+大量排出,出現(xiàn)土壤pH值下降現(xiàn)象,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生如土壤酸化、鹽基離子流失等一定的負(fù)面影響[34]。J1+N并沒(méi)有使土壤pH值下降,但J3處理與之相反,這可能與微生物自身代謝有關(guān),因其對(duì)土壤難溶養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)有較強(qiáng)的分解和轉(zhuǎn)化能力,在施用菌肥的情況下進(jìn)一步促進(jìn)了養(yǎng)分循環(huán)和植物生長(zhǎng)的同時(shí),也提高了植物生存的土壤微環(huán)境肥力[14]。以上表明菌肥+化肥可以減少無(wú)機(jī)化肥的施用,且可以緩解土壤鹽漬化。
施肥也會(huì)改變土壤的化學(xué)性質(zhì),影響植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素[35]。李恩宇等[36]研究發(fā)現(xiàn)施肥處理對(duì)高寒草甸5月和7月份土壤全氮含量均無(wú)顯著影響,但土壤速效氮和速效磷含量在7月份最高。本研究表明施加無(wú)機(jī)化肥(N,NP)可以顯著增加土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量(0~20 cm),但是沒(méi)有影響全氮含量,總結(jié)其原因?yàn)楦吆菰瓱o(wú)機(jī)施肥影響了土壤微生物的活性,加速了其對(duì)土壤全氮的分解[29],也可能是因?yàn)橹参镌诘椎葼I(yíng)養(yǎng)元素的作用下快速生長(zhǎng),加速了對(duì)土壤中氮營(yíng)養(yǎng)元素消耗速度[37]。各菌肥處理增加了土壤全氮的含量,其中J1+N處理顯著提高了土壤全氮含量,但沒(méi)有提高速效氮含量,說(shuō)明高濃度的化肥抑制了活菌的活動(dòng),或者是PGPR菌肥中的微生物需要對(duì)土壤環(huán)境有一定的適應(yīng)過(guò)程[38]。研究表明植物對(duì)磷吸收能力的大小與土壤理化性質(zhì),即含磷水平也密切相關(guān)[39]。本研究發(fā)現(xiàn)除NP處理外,其它處理對(duì)土壤全磷含量均沒(méi)有顯著差異,這與陳桂芬[40]、Krey等[12]結(jié)果一致,說(shuō)明除PGPR細(xì)菌自身對(duì)磷的需求和本地微生物的競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)外,植物對(duì)磷的吸收也隨著施用有機(jī)肥逐漸增強(qiáng)[12]。
適宜的有機(jī)碳含量是土壤提供最佳的植物生長(zhǎng)條件、養(yǎng)分循環(huán)以及有效水分滲入和存儲(chǔ)的重要前提條件[41]。本試驗(yàn)的P處理和J3菌肥處理增加了有機(jī)碳含量,其余處理使得土壤有機(jī)碳含量下降。這與Warembourg等人研究相近,歸結(jié)其原因主要有:一方面,施用有機(jī)肥更有助于土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳庫(kù)的積累[42],土壤可利用氮含量增加,有利于地上植被生長(zhǎng),產(chǎn)生更多的地上凋落物,使得土壤有機(jī)質(zhì)增加;另一方面,由于短期施肥后土壤中碳輸入變多,使得微生物活性增加和碳損變大[43],導(dǎo)致其處理下土壤有機(jī)質(zhì)下降。因此施肥能夠引起土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生增加或減少兩種截然不同變化趨勢(shì),但施肥含量配比對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的變化需要進(jìn)一步探究。
不同施肥處理下,PGPR菌肥+70%氮肥不僅沒(méi)有減少地上生物量,還可以緩解因施氮肥引起的物種豐富度下降。同時(shí)PGPR菌肥+70%氮肥處理增加土壤含水量,并未影響土壤pH值;相較于施氮肥處理,PGPR菌肥+70%氮肥處理提高土壤全氮量,但未增加速效氮和全磷含量。綜上所述,PGPR菌肥并不能完全替代化肥,但在一定程度上菌肥配施無(wú)機(jī)肥優(yōu)于單施肥(全量菌肥)效果,其中PGPR菌肥+70%氮肥處理效果最好,能達(dá)到促進(jìn)植物生長(zhǎng)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于PGPR菌肥在田間的應(yīng)用效果方面仍存在著較大差異。因此,有關(guān)其他因素對(duì)PGPR菌肥應(yīng)用效果的影響,還需進(jìn)一步的研究。